CN109917369A - 一种隧道安全距测量的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隧道安全距测量的方法及系统，所述方法是基于调频连续波来完成隧道深度测量的方法，包括如下步骤：频率合成器在基准信号源作用下产生线性调频信号，线性调频信号一路经过放大后由发射天线发射出去，另一路耦合到混频器作为本振信号，高频电磁波遇目标后反射回接收天线，经低噪放后到混频器，混频出差拍信号，经低通特性滤波和放大后经A/D转换器采样送到数字信号处理器，数字信号处理器完成对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、CFAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。还包括一种系统，包括频率合成器，功率放大器，接收天线，混频器，低通滤波模块，基带放大电路，A/D转换器及数字信号处理器。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达测量技术，特别是一种隧道安全距测量的方法及系统。
背景技术
安全步距测试设备是一种用于隧道施工过程中测量隧道深度的一种设备，市场中用于测量隧道深度的设备一般是红外或激光测试设备。隧道施工过程中灰尘较大，红外或激光容易受到干扰，导致测距不准，为了克服红外、激光的缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的主要目的是提供一种隧道安全距测量的方法及系统。
其技术方案是：
一种隧道安全距测量的方法，是基于调频连续波来完成隧道深度测量的方法，所述方法包括如下步骤：频率合成器在基准信号源作用下产生线性调频信号，线性调频信号一路经过放大后由发射天线发射出去，另一路耦合到混频器作为本振信号，高频电磁波遇目标后反射回接收天线，经低噪放后到混频器，混频出差拍信号，经低通特性滤波和放大后经A/D转换器采样送到数字信号处理器，数字信号处理器完成对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、CFAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。
进一步地，所述A/D转换器采集直流信号，并经过去除直流分量，具体步骤包括根据采集的直流目标信号正弦信号叠加的特性，求取所有目标信号值的平均值，然后再用目标信号至减这个平均值。
进一步地，所述求模值通过公式求出复数数据的模值。
进一步地，所述数据处理用滞后滤波算法，按公式处理
Yn＝Yn-1+(Xn-Yn-1)×A。
其中：Yn为当前数据输出值，
Yn-1为前一次数据输出值，
Xn为当前时刻测量值，
A系数，A取0.01。
本发明还提供了一种隧道安全距测量系统，包括
频率合成器，用于在基准信号源作用下产生线性调频信号；
功率放大器，将产生的线性调频信号经过放大后由发射天线发射出去；
接收天线，用于接收测量目标反馈的高频电磁波；
混频器，用于接收经过功率放大器一放大的线性调频信号并耦合作为本振信号；
或，用于接收经低噪放后的高频电磁波，混频出差拍信号；
低通滤波模块，用于将差拍信号进行调制，使高频信号进行阻隔；
基带放大电路，用于将调制后的差拍信号进行放大；
A/D转换器，采集经功率放大器二放大后的差拍信号，并输送至数字信号处理器；
数字信号处理器，用于对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、CFAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。
进一步地，所述频率合成器内设置有锁相环电路，该锁相环电路用于产生线性调频信号。
进一步地，所述锁相环电路设置有25MHz的时钟模块，所述时钟模块为锁相环提供基准频率。
进一步地，所述低通滤波模块包括基带SFC电路以及基带放大电路，所述基带SFC电路采用C、R高通滤波电路，其中，C输出端作为低通滤波器，R输出端作为高通滤波器，所述C、R高通滤波电路用于将差拍信号进行调制，使高频信号进行阻隔，所述基带放大电路用于将调制后的差拍信号进行放大。
进一步地，还包括电源模块，所述电源模块内设置有低压差线性稳压器以及DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于将把12V直流电源输入转变成5V直流电源，所述低压差线性稳压器用于将5V直流电源输入产生产品所需的模拟和数字+3.3V电源。
进一步地，还包括网络接口模块，所述网络接口模块采用uart转网口模块实现网络接口。
本发明使用24GHz毫米波的24GHz～24.25GHz频段，采用调频连续波体制(FMCW)来完成隧道深度测量。一般毫米波是指波长介于1～10mm之间的电磁波，其带宽大，分辨率高，天线部件尺寸小，能适应恶劣环境，灰尘、雾、雨、雪等环境不影响使用。毫米波雷达具有重量轻、体积小和全天候等特点，本设计中使用频率连续波雷达测距原理完成隧道深度的检测。
附图说明
图1为本发明的框架结构示意图；
图2为本发明中锁相环电路的电路图；
图3为本发明中时钟模块的电路图；
图4为本发明中基带SFC电路的电路图；
图5为本发明中基带放大电路的电路图；
图6为本发明中DC/DC转换器的电路图；
图7为本发明中低压差线性稳压器的电路图；
图8为本发明中网络接口模块的电路图；
图9为本发明中CFAR算法流程图；
图10为本发明中发射信号及差拍频率和时间关系图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1，本发明提供了一种隧道安全距测量系统，包括
频率合成器，用于在基准信号源作用下产生线性调频信号；
功率放大器，将产生的线性调频信号经过放大后由发射天线发射出去；
接收天线，用于接收测量目标反馈的高频电磁波；
混频器，用于接收经过功率放大器放大的线性调频信号并耦合作为本振信号；
或，用于接收经低噪放后的高频电磁波，混频出差拍信号；
低通滤波模块，用于将差拍信号进行调制，使高频信号进行阻隔；
基带放大电路，用于将调制后的差拍信号进行放大；
A/D转换器，采集经功率放大器二放大后的差拍信号，并输送至数字信号处理器；
数字信号处理器，用于对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、CFAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。
参照图2，所述频率合成器内设置有锁相环电路，该锁相环电路用于产生线性调频信号。
参照图3，所述锁相环电路设置有25MHz的时钟模块，所述时钟模块为锁相环提供基准频率。
参照图4及图5，所述低通滤波模块包括基带SFC电路以及基带放大电路，所述基带SFC电路采用C、R高通滤波电路，其中，C输出端作为低通滤波器，R输出端作为高通滤波器，所述C、R高通滤波电路用于将差拍信号进行调制，使高频信号进行阻隔，所述基带放大电路用于将调制后的差拍信号进行放大。
参照图6及图7，还包括电源模块，所述电源模块内设置有低压差线性稳压器以及DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于将把12V直流电源输入转变成5V直流电源，所述低压差线性稳压器用于将5V直流电源输入产生产品所需的模拟和数字+3.3V电源。
参照图8，还包括网络接口模块，所述网络接口模块采用uart转网口模块实现网络接口。
参照图10，线性调频连续波雷达利用对发射信号的调制，通过测量差拍频率来测量距离，习惯称之为差拍傅里叶体制。通常简单的线性调频波形为三角波调制和锯齿波调制。三角调制波形即顺序发射正调频斜率和负调频斜率两种信号，锯齿波调制为一般的三角波调制形式，采用正调频斜率或者负调频斜率，一般采用正调频斜率。
雷达发射信号f0用实线表示，虚线为电磁波碰到目标后的返回信号，发射信号和回波信号经过直接混频后，产生对应目标距离的回波信号，三角波调制的发射波形公式如下：
f+(t)＝f0+B/2+μt --上调频发射信号频率公式
f-(t)＝f0+B/2-μt --下调频发射信号频率公式
其中：f0为载频，μ＝B/厂为调频斜率，t为时间，B为信号带宽，T为调制周期。
线性调频连续波雷达混频器输出的差拍信号是包含目标信息的唯一信号，因此，为获得差拍信号，调制后的发射信号分为两路，一路由天线向空间辐射，另一路则通过频率合成器或功放耦合到混频器作为本振信号，这样，回波信号可看成本振信号的延迟，回波信号与本振信号混频后得到差拍信号：
f+＝μτ-fd
f-＝μτ+fd
其中：f+为正扫频段拍频；f-为负扫频段拍频；fd为目标的多普勒频率；τ为回波延时。
由以上两式可以解出回波延时及多普勒频率，从而求出目标的距离和速度。
τ＝(f++f-)/2μ
fd＝(f--f+)/2
从上式可看出，距离和速度都与差拍信号频率有关，为得到差拍信号的频率特性，必须通过频谱分析，通常利用FFT来进行信号的频谱分析。在得到上下扫频的频谱后，可利用频谱配对的原理来解算出目标的距离和速度。由于本设备主要是测量固定不动的隧道深度，因此目标多普勒频率fd为零，雷达设计中发射波形采用正调频斜率的锯齿波波形。
本发明还提供了一种隧道安全距测量的方法，是基于调频连续波来完成隧道深度测量的方法，所述方法包括如下步骤：频率合成器在基准信号源作用下产生线性调频信号，线性调频信号一路经过放大后由发射天线发射出去，另一路耦合到混频器作为本振信号，高频电磁波遇目标后反射回接收天线，经低噪放后到混频器，混频出差拍信号，经低通特性滤波和放大后经A/D转换器采样送到数字信号处理器，数字信号处理器完成对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、CFAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。
数据输出的速率以及信号处理算法的复杂度问题，采用ST公司的STM32F407作为数据处理单元，STM32F407自带A/D转换器，采样率为72.19KHz。
直流分量：由于A/D只能采集直流信号，为了去除直流分量对目标小信号的影响，因此需要在做频谱变换之前，首先去除直流分量，一般最简单的方式是直接用采集的A/D数据减去对应直流分量对应的数值，复杂一点可以根据目标信号是正弦信号叠加的特点，先求取所有A/D数据的平均值，然后再用A/D数据减这个平均值。实际采用求平均去均值的方法。程序设计选用先求平均，再去均值的方法。
由于雷达接收机通道有I、Q两路，去直流需要两路信号分别处理，处理完后再组成复数数据。
窗函数加权：由于雷达信号中大目标反射的能量和小目标反射的能量可能具有40dB以上的差值，采集的数据由于截取效应，相当于对数据加矩形窗函数，这样FFT运算后，频谱的主副瓣比一般只能达到13dB，为了减小大目标对小信号的影响，设计中加hamming窗函数进行加权，hamming窗主副瓣比可以达到40dB以上，但是由于加窗导致信号的主瓣会展宽，谱峰功率下降，一般会导致信噪比损失1dB左右。
FFT(快速傅里叶计算)处理信号处理中A/D的采样率为72.19KHz，实际每个周期有效数据700点，处理中采用数据补零到1024点的FFT进行计算，分析回波频谱。
求模：FFT使用的是复数数据，结果也是复数数据，为了进行后续的检测，需要把复数数据计算模值，根据公式求出复数数据的模值。
参照图9，CFAR检测：由于接收机接收通道具有频率增益控制，而且杂波影响信号频谱，因此雷达检测需要使用恒虚警检测即CFAR检测。
考虑雷达回波的特性及算法实现的复杂程度，雷达中选用左右两边取小的自适应门限检测方法。
由于CFAR检测具有损耗，而损耗和门限选择数有很大的关系，考虑雷达的使用环境，选择门限数目N＝20，为了减小目标附近的影响，检测时的保护单元选择5，门限选择左右两边取小的方法。
数据处理：为了减小单次检测目标测距误差的影响，数据处理采用滞后滤波算法，按公式处理
Yn＝Yn-1+(Xn-Yn-1)×A。
其中：Yn为当前数据输出值
Yn-1为前一次数据输出值
Xn为当前时刻测量值
A系数，A取0.01。
实施例1
根据前面的雷达各个指标的分配，
根据雷达，可以估计产品的实际作用距离为：
其中：Pt为发射功率6dBm；
Gt发射天线增益25dB，Gr接收天线增益25dB；
σ反射面积取0.1m2；
λ波长0.0125m；
L系统损耗16dB；
D信号处理增益，1024点FFT运算可计算D为30dB
Pmin系统最小检测信号，Pmin＝kTBFn(S/N)，当B取26.7KHz，S/N取15dB时，Pmin＝-100dBm
因此，可以计算Rmax＝300米，
从以上雷达作用距离的估算300米以上的测距范围。
以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种隧道安全距测量的方法，是基于调频连续波来完成隧道深度测量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：频率合成器在基准信号源作用下产生线性调频信号，线性调频信号一路经过放大后由发射天线发射出去，另一路耦合到混频器作为本振信号，高频电磁波遇目标后反射回接收天线，经低噪放后到混频器，混频出差拍信号，经低通特性滤波和放大后经A/D转换器采样送到数字信号处理器，数字信号处理器完成对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、CFAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述A/D转换器采集直流信号，并经过去除直流分量，具体步骤包括根据采集的直流目标信号正弦信号叠加的特性，求取所有目标信号值的平均值，然后再用目标信号至减这个平均值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求模值通过公式求出复数数据的模值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理用滞后滤波算法，按公式处理
Yn＝Yn-1+(Xn-Yn-1)×A。
其中：Yn为当前数据输出值，
Yn-1为前一次数据输出值，
Xn为当前时刻测量值，
A系数，A取0.01。
5.一种隧道安全距测量系统，其特征在于，包括
频率合成器，用于在基准信号源作用下产生线性调频信号；
功率放大器，将产生的线性调频信号经过放大后由发射天线发射出去；
接收天线，用于接收测量目标反馈的高频电磁波；
混频器，用于接收经过功率放大器一放大的线性调频信号并耦合作为本振信号；
或，用于接收经低噪放后的高频电磁波，混频出差拍信号；
低通滤波模块，用于将差拍信号进行调制，使高频信号进行阻隔；
基带放大电路，用于将调制后的差拍信号进行放大；
A/D转换器，采集经功率放大器二放大后的差拍信号，并输送至数字信号处理器；
数字信号处理器，用于对差拍信号的去直流分量、窗函数加权、FFT处理、求模值、(FAR检测、数据处理及解算出目标距离后送终端显示。
6.根据权利要求5所述的隧道安全距测量系统，其特征在于，所述频率合成器内设置有锁相环电路，该锁相环电路用于产生线性调频信号。
7.根据权利要求6所述的隧道安全距测量系统，其特征在于，所述锁相环电路设置有25MHz的时钟模块，所述时钟模块为锁相环提供基准频率。
8.根据权利要求5所述的隧道安全距测量系统，其特征在于，所述低通滤波模块包括基带SFC电路以及基带放大电路，所述基带SFC电路采用C、R高通滤波电路，其中，C输出端作为低通滤波器，R输出端作为高通滤波器，所述C、R高通滤波电路用于将差拍信号进行调制，使高频信号进行阻隔，所述基带放大电路用于将调制后的差拍信号进行放大。
9.根据权利要求5所述的隧道安全距测量系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块内设置有低压差线性稳压器以及DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于将把12V直流电源输入转变成5V直流电源，所述低压差线性稳压器用于将5V直流电源输入产生产品所需的模拟和数字+3.3V电源。
10.根据权利要求5所述的隧道安全距测量系统，其特征在于，还包括网络接口模块，所述网络接口模块采用uart转网口模块实现网络接口。
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